1、强制对流传热实验指导书一、实验目的和要求 本实验目的是加深对传热学教学课程内容的理解，使同学了解和掌握空气横掠单管时的平均表面传热系数变化规律。通过实验使学生可得到如下方面的专业知识：1、了解实验装置，熟悉空气流速和管壁温度的测量方法，掌握测试仪器仪表的使用方法；2、通过对实验数据的综合整理，掌握强制对流换热实验的数据整理方法；3、了解空气横掠单管的换热规律。二、基本原理 热交换器中广泛使用各种管子作为传热元件，通常外侧为流体横向掠过单管强制对流换热。因此，测定流体横向掠过管子时的平均表面传热系数是传热中的基础实验。强制对流时的换热规律可用下列准则关系式来表示：(1)由于空气温度变化范围不大，
2、上式中的 数变化很小，可作为常数处理，故式(1)简化为(2)式中： 。其中：h空气横掠单管时的平均表面传热系数，(W/m 2 K)；V空气来流速度 (m/s)；d定型尺寸，这里取管子外径, (m)；空气的导热系数，(W/m K)；空气的运动粘度，(m 2/s)；如需通过实验确定空气横掠单管时 与 的关系，就需要测定在不同流速 V、不同管子直径 时的平均表面传热系数 的变化。因此，本实验中要测量的基本参量为空气流速、空气温度、管子表面温度及计算管子表面散热量。三、实验设备 实验系统如下图所示。实验装置由本体、被测实验件、供电电源、测量系统所组成。风箱的作用是确保风道实验段中有均匀的气流速度。被测
3、实验件采用薄壁不锈钢圆管，安装于有机玻璃风道中。供电电源采用低电压大电流可控硅直流电源，对被测实验件直接进行加热，实验时只要调整可控硅整流电源的输出功率，就可调节施加于被测实验件上的加热功率。空气横掠被测实验件时，加入的热量通过对流换热的方式被空气带走。试验时 数应有较大范围的变化，以保证求得的空气横掠单管换热准则关系式的准确性。 数取决于管子所处空气流的速度 及管子直径 。空气流速 可以通过装在风机入口处的调风门来改变。因此，试验可在不同的空气流速的条件下进行，然后将试验结果整理求得换热准则关系式的具体表达式。测速段截面积 15080mm2,实验段截面积 450150mm2，实验管外径 40
4、mm，实验管有效管长 450mm.四、测试方法及试验步骤 在实验管处的风道中装有热求风速计测出测速段中空气来流速度，根据连续性方程计算测试段空气的来流速度 。为了确定实验管壁的温度 ，在实验管壁埋设热电偶，采用计算机采集数据。实验时对每一种直径的管子，空气流速可调整 45 个工况，加热电流可根据管子直径及风速大小适当调整，保持管壁与空气之间有适当的温差。每调整一个工况，须待风速计，热电偶等读数稳定后方能测量各有关数据。五计算公式 1被测实验件两电压测点间的发热量 (W)；式中： 被测实验件两电压测电间的电压降；( ) I流过被测实验件的电流， ( )电加热器所产生的热量 Q，除以对流传热的方式
5、传给空气以外，还有一部分是以辐射方式传出去的，因此，对流传热量 Qc 为2管子平均表面传热系数 ：(W/m2 K)fwctAh式中： 两电压测点间被测实验件的外表面积， (m2)3换热准则方程式： 根据每一实验工况所测得的值可计算出相应的 数和 数的值。在双对数坐标纸上，取 为纵坐标， 为横坐标，将各工况点标出，它们的规律可近似地用一直线来表示。即： 由此，Nu 数与 Re 数之间的关系可近似地表示为一指数方程的形式：其中： 。如取 ， ，则有 ，根据最小二乘法原理，系数 和 可用以下公式计算：式中： 实验点的数目；在计算 数和 数时，所用的空气物性参数 和 都以边界层的平均温度为定性温度 来
6、查有关资料的物性表，其用如下公式计算 。六、试验报告要求 1、实验原理，实验装置；2、实验原始数据，数据整理；3、在双对数坐标纸上绘出各实验点，并用最小二乘法求出准则方程式；4、将实验结果与有关参考书的空气横掠单管换热准则方程或线图进行比较，得出结论。七、注意事项 实验开始前，应先了解实验装置的各个部件，熟悉仪器仪表的使用方法，按仪表的操作要求和步骤进行；其次，为确保管壁温度不至于超过允许的范围，启动和工况改变时，必须先启动风机，调整风速，然后再调节可控硅电加热装置，使被测实验件的加热功率调整在规定范围内。值得指出，在工况增大时，应先调整气流量至规定值再调节加热功率。在工况减小时，应先将加热功
7、率减小至最小，然后调整气流量至规定值，最后再调整加热功率。实验完成后，先切断加热器电源，5 分钟后切断风机电源，并检查该装置的所有电源是否均处于关闭状态。附：实验数据记录表待测物理量 单位 工况外径 d m 有 效 长 度 L m 管尺寸 散 热 面 积 A m2 d L=电压 V电流 A发热量 W大气温度 tf 空气密度（由 tf 查表）Kg/m3工况编号 1气流速度 v= m/s 热电偶号 1壁温 ti 平均壁温 41iwtt辐射换热量 rW管子平均表面传热系数h=c/A（t w- tf）W/（m 2K）边界层平均温度 tm=（t w+ tf）/2空气的导热系数 （由 tm 查表）W/（mk）空气的运动黏度 （由 tm 查表）m2/sRe=vd/Nu=hd/LnRe LnNu
